Învățarea și neuroplasticitatea în creierul adult
Învățarea este procesul prin care ne schimbăm comportamentul în urma unei experiențe noi. Poate fi vorba de comportamente simple, pe care le-am învățat după o singură expunere și aproape automat, cum ar fi recunoașterea feței cuiva cunoscut de curând, dar și de comportamente complexe, a căror învățare a implicat expunere repetată și efort, ca învățarea unei limbi străine sau cântatul la un instrument muzical. Știm astăzi că schimbările comportamentale care rezultă din învățare, mai ales cele care necesită mult exercițiu, sunt un semn că ceva s-a schimbat în creierul nostru.
Ideea că învățarea se bazează pe neuroplasticitate nu este nouă, fiind propusă pentru prima dată la sfârșitul secolului XIX și dovedită convingător prin studii pe animale începute în anii 1960. Dar ultimele două decenii au adus progrese majore, mai ales datorită metodelor neuroimagistice care permit studierea modificărilor structurale pe care le implică învățarea la om. Rezultatele acestor cercetări arată că învățarea presupune schimbări neuroanatomice mai extinse decât se credea, vizibile la o rezoluție milimetrică și antrenând multiple componente ale țesutului nervos.
Originea conceptului
Neuroplasticitatea se referă la capacitatea țesutului nervos de a suferi modificări structurale. Conceptul a fost introdus de neurologul român Ion Minea, în teza de doctorat realizată sub coordonarea profesorului Gheorghe Marinescu și publicată în 1909. Studiile sale experimentale au descris pentru prima dată modificările morfologice (adică de formă) pe care le suferă neuronii atunci când sunt comprimați sau transplantați în alt țesut. Anatomistul spaniol Santiago Ramón y Cajal, care dovedise existența neuronilor și era proaspăt laureat al Premiului Nobel pentru Fiziologie sau Medicină, era la curent cu cercetările din grupul lui Marinescu și a preluat și consacrat acest concept în cartea sa despre degenerarea și regenerarea țesutului nervos, publicată în 1913. Deci accepțiunea în care a fost folosit inițial conceptul de neuroplasticitate s-a limitat la modificările prin care țesutul nervos se adaptează la leziuni și neuropatologii.
Ipoteza că învățarea ar implica modificări în creier e puțin mai veche decât conceptul de neuroplasticitate, fiind propusă de William James, unul din părinții psihologiei științifice, într-o carte din 1890. La scurt timp după aceea, neuropsihiatrii italieni Eugenio Tanzi și Ernesto Lugaro au susținut și ei că învățarea ar antrena modificări la nivelul neuronilor și contactelor dintre aceștia. Aceste idei erau foarte avansate pentru acea vreme ținând cont că existența neuronilor încă nu fusese dovedită de Cajal și că aveau să mai treacă decenii până la descrierea sinapselor, zonele de contact în care se realizează comunicarea dintre neuroni. Odată cu aceste descoperiri, ipotezele legate de neuroplasticitatea din învățare au luat forme mai concrete. De exemplu, psihologul canadian Donald Hebb a propus, într-o carte din 1949, că învățarea este susținută de activitatea concomitentă în ansambluri de neuroni, care antrenează creșterea zonei de contact și stabilizarea comunicării dintre aceștia. Altfel spus, „neurons that fire together, wire together.”
Mediul îmbogățit și neuroplasticitatea la animale
Ideile lui Hebb au influențat un alt psiholog, care avea să aducă primele dovezi că învățarea produce modificări în creier. La sfârșitul anilor 1950, americanul Mark Rosenzweig a descoperit că șobolanii antrenați cu diferite sarcini de învățare prezintă un nivel mai mare de aceticolinesterază în cortexul cerebral (structura nervoasă multistratificată, care se găsește la suprafața creierului). Acetilcolinesteraza este o enzimă implicată în degradarea acetilcolinei, un neurotransmițător prin care comunică unii neuroni la nivelul sinapselor, iar activitatea ei este necesară pentru controlul semnalizării sinaptice. Rosenzweig a constatat că, cu cât sarcinile de învățare erau mai dificile, cu atât nivelul cortical de aceti lcolinesterază era mai mare. Dar antrenarea animalelor cu aceste sarcini de învățare consuma mult timp, așa că Rosenzweig a testat o manipulare de mediu mai simplă. El știa de un mic experiment în care Hebb dusese acasă câțiva șobolani și îi lăsase să exploreze liberi prin casă, după care constatase că aceștia aveau performanțe mai bune la sarcinile de învățare, în comparație cu cei care rămăseseră la laborator. Inspirat de aceste rezultate, descrise doar anecdotic de Hebb, Rosenzweig a ținut grupuri de 1012 șobolani adulți în cuști mai mari, cu diferite obiecte de explorat, schimbate zilnic. A numit această condiție mediu îmbogățit pentru că oferă oportunități sporite de învățare spațială și socială, și a comparat-o cu mediul standard, în care grupuri de circa 3 șobolani sunt ținute în cuști mai mici și fără nici un obiect de explorat. Surpriza a fost că animalele ținute în mediul îmbogățit prezentau nu doar niveluri de acetilcolinesterază mai mari, ci și o greutate mai mare a anumitor regiuni corticale, în comparație cu animalele din mediul standard.
Ulterior, Rosenzweig și alții au descris și alte modificări produse de menținerea în mediul îmbogățit, inclusiv creșterea grosimii cortexului, creșterea numărului de sinapse per neuron, extinderea dendritelor (prelungiri multiple și ramificate, care pleacă de la corpul celular al neuronilor și la nivelul cărora neuronii primesc semnale de la alți neuroni) și creșterea numărului de spini dendritici, niște formațiuni micuțe de pe dendrite, care sunt specializate pentru realizarea de sinapse cu neuronii din amonte. Aceste modificări au fost observate în anumite regiuni corticale, cum ar fi cortexul occipital, chiar și după câteva zile în această condiție. Studiile lui Rosenzweig au susținut, deci, ipoteza că învățarea – atât cea formală, prin antrenare cu sarcini de învățare, cât și cea informală, sub forma expunerii la un mediu îmbogățit – produce modificări structurale în anumite regiuni din creierul adult.
Ce arată studiile de neuroimagistică la om?
Metodele neuroimagistice permit obținerea neinvazivă a unor imagini anatomice ale creierului. Imagistica de rezonanță magnetică (IRM) este cea mai folosită metodă neuroimagistică, poate și datorită versatilității sale. De exemplu, imaginile de IRM anatomic permit evaluarea unor parametri cum ar fi grosimea substanței cenușii (partea din țesutul nervos care cuprinde corpul celular și dendritele neuronilor) și substanței albe (partea care cuprinde axonii, cei mai mulți mielinizați). Totul în câteva zeci de minute, la rezoluție milimetrică și cu singurul disconfort al spațiului îngust din tomograf și al zgomotului emis de acesta în timpul achiziției. Această metodă este, deci, ideală pentru studierea neuroplasticității pe care se bazează învățarea la om.
Primele studii de IRM au arătat că există o asociere între anumite ocupații și volumul unor structuri nervoase. În comparație cu cei care au alte ocupații, taximetriștii din Londra, de exemplu, prezintă un volum mai mare al hipocampului posterior, o structură nervoasă implicată în navigarea spațială. S-a descoperit, de asemenea, că muzicienii au un volum mai mare al substanței cenușii din cortexul auditiv. Aceste studii au deschis drumul în domeniu, dar limita lor e că sunt transversale (adică toate măsurătorile sunt făcute în același timp) și nu pot discerne dacă diferențele neuroanatomice sunt cauza sau efectul deprinderilor pe care le antrenează aceste ocupații. Dacă știm azi că învățarea e cea care produce aceste efecte, aceasta este datorită studiilor longitudinale.
Prima cercetare de acest gen a folosit IRM pentru a măsura grosimea substanței cenușii în cortexul unor participanți care au exersat jonglatul cu trei mingi vreme de trei luni, în comparație cu un grup care nu s-a antrenat. Jonglatul este o sarcină foarte solicitantă vizuo-motor, chiar dacă e practicată, de obicei, pentru distracție. Dacă, la măsurătorile de dinainte de antrenament, nu au fost diferențe între grupuri, la cele de după antrenament, grosimea substanței cenușii în anumite regiuni ale cortexului temporal și parieral era mai mare cu circa 3% la jongleri. În plus, aceste schimbări neuroanatomice au corelat cu performanța de jonglat după antrenament. La o a treia evaluare IRM, după alte trei luni în care participanții nu se mai antrenaseră, grosimea substanței cenușii în aceleași regiuni corticale scăzuse, rămânând, totuși, cu aproape 1-2% mai mare la jongleri față de grupul de control.
Cercetările care au urmat au arătat că și alte sarcini de învățare induc modificări anatomice similare: învățarea unei limbi străine sau a codului Morse, exersatul cititului în oglindă, navigarea prin spații foarte complexe, antrenamentul memoriei de lucru și chiar și pregătirea unui examen de către studenții la medicină sau biologie. Iată, deci, că nu doar sarcinile vizuo-motorii cum e jonglatul, ci și sarcinile cognitive, care presupun achiziția unor cunoștințe declarative (voluntare și conștiente), pot produce modificări structurale în creier.
O altă caracteristică relevată de aceste studii e că schimbările anatomice se produc specific în regiunile care sunt implicate în sarcina de învățare și corelează, în majoritatea studiilor, cu performanța. De exemplu, antrenamentul pentru jonglat crește grosimea substanței cenușii în regiunile vizuale de asociație, implicate în ghidarea vizuală a mișcării; învățarea intensivă a unei limbi străine crește grosimea substanței cenușii în regiuni corticale asociate limbajului și alte structuri nervoase implicate în memoria declarativă; memorarea unor hărți spațiale complexe crește grosimea substanței cenușii în regiuni implicate în navigarea și memoria spațială.
O a treia caracteristică este că creșterile de substanță cenușie se reduc în timp, dacă conținutul învățat nu mai este exersat, dar doar parțial. Neuroplasticitatea trece, deci, prin faze de expansiune, stabilizare selectivă și renormalizare parțială. În fine, unele studii pe vârstnici sugerează că sarcinile de memorie spațială, de exemplu, contribuie la menținerea volumului hipocampului, contracarând, aparent, declinul cu vârsta al acestei structuri nervoase. O descoperire suprinzătoare a fost că neuroplasticitatea se extinde și la nivelul substanței albe, care se credea că este mai degrabă statică. Substanța albă cuprinde axonii (celălalt tip de prelungire neuronală, de obicei, unic și mai lung decât dendritele, prin care neuronii trimit semnale către alți neuroni), cei mai mulți fiind înfăsurați în manșoane de mielină, o membrană care crește viteza lor de conducere. Densitatea substanței albe poate fi studiată cu ajutorul unei variante de IRM numită imagistica tensorului de difuziune (engl., diffusion tensor imaging), care permite măsurarea difuziunii apei în creier. Cu cât difuziunea este mai restricționată (anizotropică), cu atât se presupune că este mai mare densitatea membranelor, inclusiv a mielinei, în zonele de substanță albă. Unul din primele studii neuroimagistice longitudinale despre învățare a arătat că exersarea jonglatului vreme de câteva săptămâni crește anizotropia apei în substanța albă parietală și că aceste modificări par să se păstreze parțial pe parcursul următoarelor luni, în absența antrenamentului.
Înapoi la nivel celular
Rezultatele studiilor de neuroimagistică la om au nevoie de explicații la nivel celular. Ce modificări morfologice la nivelul neuronilor, sinapselor și celulelor gliale care produc mielina ar putea explica creșterile substanțiale de substanță cenușie și de substanță albă observate după învățare la om? Studiile pe animale inițiate de Rosenzweig au arătat că învățarea stimulează procese celulare cum ar fi, pe de o parte, extinderea dendritelor și sinaptogeneza, care ar putea contribui la creșterea grosimii substanței cenușii.
Pe de altă parte, studii recente pe animale au descoperit că celulele gliale care își înfășoară membrana în jurul axonilor reacționează la activitatea neuronală prin îngroșarea și subțierea foarte dinamică a tecii de mielină. Îngroșarea mielinei și îngroșarea axonilor ar putea explica creșterile de substanță albă observate în studiile de neuroimagistică. Însă, oricât de plauzibile ar fi aceste ipoteze, ele nu sunt încă susținute la om.
La ora actuală, nu există metode care să permită studierea neinvazivă a proceselor celulare din creier la om. Singura excepție este măsurarea N-acetil aspartatului (NAA), o moleculă abundentă în creier, care poate fi măsurată prin spectroscopie de rezonanță magnetică, și care a fost asociată cu integritatea neuronală și metabolismul neuronilor. S-a descoperit că exersarea unei sarcini de memorie spațială (aceeași care a indus creșterea substanței cenușii, într-un alt studiu) a produs creșterea nivelului de NAA în hipocamp. Acest rezultat sugerează că învățarea ar putea contribui la menținerea integrității neuronale. Descoperirea altor explicații celulare pentru modificările anatomice observate în învățarea la om rămâne o provocare pentru viitor. Dar ce s-a câștigat deja este certitudinea că învățarea remodelează creierul.
Acest articol este preluat din ediția print a Revistei CARIERE nr. 274
Pentru abonare, click aici
